陷落柱受采动影响分析及过陷落柱安全开采研究

陷落柱受采动影响分析及过陷落柱安全开采 研究

段学良 1 ；杨光 1 ；冯亚州 1

东鼎安检测技术有限公司 山东 济南 250000;

摘 要：为了解决开采工作面陷落柱的开采问题，以开采工作面陷落柱为研究对象，运用理论分析、FLAC^3D数值模拟分析等方法研究了采动对覆岩及陷落柱影响程度。研究结果明白：3煤层开采对陷落柱有一定的影响，存在陷落柱不仅使导水裂缝带的形态发生变化，也使其发育高度相应增加，开采后导水裂缝带高度比正常情况下32.44~43.6m有所增加，最大发育到54m，但未发育到第四系底界面。

关键词：陷落柱；采动；数值分析；覆岩；影响分析；导水裂缝带；开采评价；

中图分类号： 文献标志码： 文章编号：

我国煤炭资源丰富，目前是世界上第一大产煤国，同时也是消费煤炭最多的国家，约占世界煤炭消费总量的三分之一^[1]。根据国家能源统计局公布的数据，2016年我国能源消费总量为43.6亿吨标准煤，中国煤炭消耗总量占据了国内总能源消耗量的63%^[2]。由于我国煤炭基数大，在相当长的时间内，煤炭仍将是我国的主要能源。随着煤炭资源的日趋紧张，煤层的开采深度和强度不断增加，煤层开采过程中突水灾害给生产造成了巨大的经济损失，其中岩溶陷落柱突水是危害极大，极易常见的煤矿灾害之一。在采掘过程中岩溶陷落柱发生突水的事故也时常发生，因此对岩溶陷落柱突水进行安全评价，实现对矿井的安全生产、提高煤炭的回收率具有十分重要的意义。

1 研究概况

矿井水害是影响和威胁矿井安全、高效生产的主要因素之一，其中陷落柱突水造成的伤亡和经济损失尤为突出，基于开采工作面所面临的主要问题，利用现场探测的方法，查清陷落柱含导水性及与含水层的水力联系情况，并结合数值模拟软件，获得3煤层开采对覆岩及陷落柱的影响情况，采取必要的防治水措施，确保开采工作面安全生产。对3煤层开采对覆岩及陷落柱的影响进行分析评价。

2 煤层开采覆岩冒裂高度分析

3煤层开采覆岩冒裂落带发育高度可根据《三下规范》中相关计算公式计算，开采工作面顶板覆岩结构按中硬岩层计算。

；

　　式中：H_m—冒落带高度，m；H_Li为导水裂缝带高度，m；∑M为累计采厚，m。

当3煤层开采厚度为3.5m时，冒落带、导水裂缝带高度分别为7.67~12.07、32.44~43.6m；当采用限厚开采，开采煤层厚度为2.4m时，其冒落带、导水裂缝带高度分别为4.84~9.24、23.81~35.01m。

3 煤层开采对底板岩层影响分析

3.1 底板破坏深度

3煤层开采对底板破坏深度可根据《三下规范》中相关公式进行预计。

1）当仅考虑工作面斜长时，底板导水破坏带的预计公式如下：h₁=0.7007+0.1079L。式中：L为工作面斜长，m。岱庄煤矿开采工作面斜长110m，依此计算底板导水破坏深度为12.57m。

2）当考虑采深、倾角和工作面斜长时，公式如下：h₁=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579。式中：H为设计最大采深，m；α为煤层倾角，°；L为工作面斜长，m。岱庄煤矿开采工作面斜长110m，采深为325m，倾角9°，则底板破坏深度为11.77m。综合考虑开采工作面开采底板破坏深度为12.57m。

3.2 采动底板应力卸压深度

根据现场支承压力观测资料，采空区主要卸压范围一般为20～40m，40m以远由于底板下沉铅直地应力逐渐恢复，底板卸压深度一般50～60m。

4 煤层开采对陷落柱影响分析

4.1 陷落柱数值建模

开采工作面埋深范围-300m左右，煤层3.5m，采宽110m，根据钻孔资料探测结果，该地质存在椭圆形陷落柱，长轴方向近东西向，半径20m左右，短轴方向近南北向，半径13m左右。模型尺寸200×106×120m，初始应力场垂直方向按覆岩自重生成，水平方向按公式生成，侧压系数λ =0.5，岩性参数见表1。

表1 煤岩力学参数

4.2 模拟结果及分析

由于工作面煤层厚度有一定的变化起伏，加之工作面选取支架伸缩高度为3m，因此本文选取两种厚度进行模拟仿真，厚度分别为2.4m、3.5m，通过比较得出相应的围岩变形规律。

1）顶板破坏范围数值仿真。由图1知，因陷落柱的存在围岩变形破坏形成不规则对称态势，即陷落柱周围裂缝带高于正常回采侧，3.5m导水裂缝带高度范围为50m，2.4m导水裂缝带高度范围为45m，皆未延伸至第四系底界面。比较两种不同采高所形成的采场破坏范围，可以得出底板破坏范围大小基本相同。

2）底板应力分布规律。工作面下方不同深度的煤层底板都产生了应力集中，应力集中程度随距离煤层距离的加大而减小，见图2所示，应力集中系数从5 m处的2.5变到30m处的1.2。但应力变化并不均匀，在浅部应力变化剧烈，深部逐渐趋于平缓，直到原岩应力。煤层底板上的垂向集中应力最大值在工作面前方约5 m处。

图1 采厚2.4m和3.5m“两带”高度发育图

3）底板破坏范围。随着工作面回采，底板逐渐发生破坏，顶底板靠近工作面中心处为剪切、拉伸破坏，四周为剪切破坏，继续推进走向方向破坏范围继续发展，垂直方向没有明显的增加，但剪切、拉伸破坏。垂直方向底板破坏区局部扩展至底板20m处，陷落柱附近为25m。当采高变化不大时，其顶底板破坏的状态和深度没有明显区别，仅在靠近陷落柱时顶板拉伸与剪切同时出现，其他都是由剪切导致岩石破坏，且破坏深度大体相同。

5 过陷落柱开采安全性评价及结论

根据以上分析存在陷落柱不仅使导水裂缝带的形态发生变化，也使其发育高度相应增加，最大发育到54m，但未发育到第四系底界面。所以只要采取有效的措施，如加固陷落柱、限厚开采，是可以安全推过陷落柱的。对于含水性质不同的陷落柱，回采时可采取不同的处理措施进行回采，目前主要采取强行通过、限厚开采、留煤柱开采、注浆加固陷落柱等措施。

根据数值模拟和相关理论分析，3煤层开采对陷落柱有一定的影响，不仅使导水裂缝带的形态发生变化，也使其发育高度相应增加，开采后导水裂缝带高度比正常情况下35m左右有所增加，最大发育到54m，未发育到第四系底界面，可安全通过此陷落柱。

参考文献：

[1]郭玉玺.首阳煤业采掘工作面过陷落柱管控措施[J].山西能源学院学报,2021,34(01):8-10.

[2]冯宁.综放面遇陷落柱围岩裂隙演化规律及推采控制探讨[J].采矿技术,2020,20(04):61-64.

[3]金璐. 浅埋煤层薄基岩下采动覆岩破坏动态演化规律研究[D].中国矿业大学,2020.

[4]毕煜. 软弱顶板重复采动下导水裂隙发育规律及开采上限研究[D].中国矿业大学,2020.

作者简介：段学良（1990~），男，山东济南人，汉，工程师，现就职于山东鼎安检测技术有限公司，主要从事煤矿采煤、通风和安全评价。

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